系统功能
分析个体呼出气体成分，并计算耗氧速度（摄氧量）\(V_{O_2}\) 以及代谢能量 EE。
呼吸监测方法介绍
道格拉斯袋法
道格拉斯袋法（douglas bags）是最早的开放式（open circuit）间接测量代谢消耗的方法，也是测量代谢消耗的「金标准」[1][2]。
原理很简单，将运动呼出的气体用道格拉斯气袋收集起来，然后测量气袋中气体的体积、\(O_2\)、\(CO_2\) 浓度。之后经过计算就能得出运动中代谢能量消耗。
逐步呼吸法
道格拉斯袋法必须在运动完成后进行测量，测得值是一个平均量，无法实时测量，也无法对运动的某个时间节点进行分析。随着计算机的发展，逐步呼吸法（breath by breath）被发明[3]。借助于传感器（对传感器性能和信号处理要求很高）和电脑，可以实现对每次呼出气体的流量、成分进行测量，从而得到实时代谢能量消耗。
混合气室法（系统采用）
混合气室法（mixing chamber）[4]是将呼出气体排入到一个 5L 左右的混合室内让其充分混合，通过测量混合室中的气体浓度来计算代谢能量消耗。可以理解为测量几次呼出气体的平均值。主要有 2 个优点：
- 相较于道格拉斯袋法，混合气室法能实现实时代谢测量（相较于逐步呼吸法没那么实时，视运动量而定）；
- 相较于逐步呼吸法，虽然时效性没有那么好，但混合气室法更加稳定[5]，信号处理起来更容易[6]，且对传感器的要求不高。
系统组成
基于混合气室法的呼吸监测模块由 4 个重要组成部分。
非重复呼吸阀/管道
非重复呼吸阀（Non Rebreathing Valve）的作用是保证第二次呼吸不会吸入上一次呼出的气体，否则会造成误差。但实际这个现象不可避免，所以需要保证呼吸阀腔体（也叫死腔，dead space）体积小于 70ml[1]。
此外，死腔体积不能太小，否者会对呼吸造成阻力增加测量时的人体额外能量消耗，WHO 建议呼吸阀的阻力不高于 \(300L/min-5cmH_2O\)[1]。同理，连接呼吸阀和混合室的管道建议阻力不高于 \(300L/min-1.5cmH_2O\)。
混合室
人体在静息状态下，每分钟的通气量大约为 4-8L，采用 5L 的混合室，意味着静息状态的呼出气体能在 1min 中充满混合室（将混合室原本的气体排出）。
传感器
传感器的原则是响应时间越短越好。
响应时间
传感器清单
上位机
目前的方案是下位机数据采集 Arduino/C++，上位机数据处理树莓派/Python。
数据处理
呼吸代谢监测系统最终会采集到：
- 呼出或吸入气体流量；
- 呼出气体中的 \(O_2\) 浓度；
- 呼出气体中的 \(CO_2\) 浓度。
之后通过计算可得出摄氧速度（摄氧量） \(V_{O_2}\)、呼吸商 RQ、代谢能量 EE。
这里按气体流量传感器采集呼出气体流量计算（采集吸入气体的流量其计算原理是一样的）。
气体流量 ATPS 换算 STPD
气体体积需按标准状态（STPD 状态，\(\theta = 0°C\)，\(\rho = 101.3kPa\) 或 \(\rho = 760mmHg\)，干燥气体）来计算[7][8]。
由于所收集的气体都是饱和水蒸气（其饱和水蒸气压力是温度的函数），而测量温度为室温条（ATPS 状态，环境温度，环境压力，水蒸气饱和），两者换算系数 \(f\) 可利用水蒸气分压计算：
在千帕单位下换算系数为：
或者在毫米汞柱单位下：
其中：
- \(f\) 为标准状态气体体积换算系数；
- \(\rho\) 为测得环境的大气压；
- \(\rho_{H_2O}\) 为呼出气体饱和水蒸气的分压；
- \(\theta\) 为呼出气体的温度（在气体流量计中或用道格拉斯袋时测量的大气温度），单位为摄氏度(°C)。
如果收集到的呼出气体在环境中受热高于 37°C 以上，需用 37°C 的饱和水蒸气压 6.27kPa。如果收集到的呼出气体温度不高于 37°C，其饱和水蒸气压见下表：
20°C~37°C 范围内（间隔为 1°C）饱和水蒸气压力，单位为千帕(kPa)：
| 温度/°C | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 2.34 | 2.49 | 2.64 | 2.81 | 2.98 | 3.17 | 3.36 | 3.56 | 3.78 | 4.00 |
| 30 | 4.24 | 4.49 | 4.75 | 5.03 | 5.32 | 5.62 | 5.94 | 6.27 | - | - |
转换为毫米汞柱(mmHg)：
| 温度/°C | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 | 17.5 | 18.7 | 19.8 | 21.1 | 22.4 | 23.8 | 25.2 | 26.7 | 28.4 | 30.0 |
| 30 | 31.8 | 33.7 | 35.7 | 37.7 | 39.9 | 42.2 | 44.6 | 47.1 | - | - |
记气体流量传感器读值（呼出气体流量）为 \(V_{E-ATPS}\)，单位一般为 L/min。
则标准状态的气体流量为 \(V_{E-STPD}=f*V_{E-ATPS}\)。
BTPS 概念
- STPD 状态，\(\theta = 0°C\)，\(\rho = 101.3kPa\) 或 \(\rho = 760mmHg\)，干燥气体；
- ATPS 状态，环境温度，环境压力，水蒸气饱和；
- BTPS 状态，身体内环境温度 37°C，环境压力，水蒸气饱和。
三者的转换公式为：
\(V_{O_2}\) 计算
核心关系是人体不会消耗和产生氮气，也就是人体吸入和呼出的 \(N_2\) 量是不变的。大气中气体成分可以近似分为 0.03% 的 \(CO_2\)，20.93% 的 \(O_2\) 和 79.04% 的 \(N_2\) 以及非常少的稀有气体。
记吸入气体中 \(O_2\) 浓度为 \(F_IO_2\)，\(CO_2\) 浓度为 \(F_ICO_2\)，\(N_2\) 浓度为 \(F_IN_2\)；
记呼出气体中 \(O_2\) 浓度为 \(F_EO_2\)，\(CO_2\) 浓度为 \(F_ECO_2\)，\(N_2\) 浓度为 \(F_EN_2\)。
那么吸入气体流量：
\(O_2\) 消耗速度（摄氧量）：
同理 \(CO_2\) 产生速度：
最大摄氧量 \(V_{O_2max}\)
当个体满足以下 4 种条件的任意 3 种即认为达到最大摄氧量标准[9]：
- \(V_{O_2}\) 不随负荷的增加而上升，且个体达到力竭；
- \(V_{O_2}\) 的变化幅度不超过 5% 或 150mL/min 或 2mL/kg/min；
- 呼吸商大于 1.15；
- 心率大于 180 次/min。
RQ、EE计算
呼吸商 RQ 或者呼吸交换率 RER 等于 \(\frac{V_{CO_2}}{V_{O_2}}\)。根据 RQ 数值查询对应的 O2-kCal/L 数值：
例如 RQ=0.8，那么意味着每消耗 1L 氧气，人体需要代谢 4.801kCal 的能量。那么此时的人体代谢 EE = \(V_{O_2}\) * 4.801 kCal/min。
呼吸底物
由上表可以发现，根据 RQ 可以知道当前呼吸代谢底物是以脂肪为主还是以糖类为主。
系统校准
系统校准可以采用测量代谢当量 MET 的方法进行。1MET 的耗氧量为 3.5ml/kg/min[11]，在人静息状态下测得。
参考
[1] ?Open-circuit respirometry a historical review of portable gas analysis systems.pdf
[2] ?a brief historical review of the use of Douglas bags and chemical analyzers.pdf
[3] ?On-line computer analysis and breath-by-breath graphical display of exercise function tests..pdf
[4] ?Validity and Stability of a Computerized Metabolic System with Mixing Chamber.pdf
[6] Mxing Chamber vs Breath by Breath
[7] ?Metabolic Computations in Open-Circuit Spirometry.pdf
[9] 《体育院校通用教材/运动生理学》，人民体育出版社，2002